可能与神经损伤或转移性癌症相关的慢性疼痛是一种未得到满足的医疗需求。杜克大学医学中心的研究人员和加州大学欧文分校的同事们正在“癌症药物的垃圾场”中寻找一种化合物，kenpaullone (Kp)，它可能被重新用作一种强大的止痛药。研究表明，kenpaullone的作用是通过提高离子转运基因的水平，该基因参与维持抑制性gaba能神经传递，在神经损伤和骨癌的啮齿动物模型中进行的试验证实，该药物有效地减少了病理性疼痛样行为。
“治疗慢性疼痛的新药和其他疗法必须是安全的，即副作用越少越好，”研究负责人Wolfgang Liedtke博士说，他在杜克大学医学中心从事疼痛医学已有17年，并指导前Liedtke实验室阐明基本的疼痛机制。“尤其重要的是，它们不成瘾性和非镇静剂，同时对神经损伤疼痛和癌症疼痛有效，最好在最短时间内获得官方批准。”因为慢性疼痛和许多慢性疾病一样，在基因开关以不良方式重新编程方面有着重要的根源，针对慢性疼痛的疾病修正疗法应该重置基因开关，而不仅仅是像阿片类药物和阿司匹林/泰诺类止痛药那样掩盖疼痛。”
Liedtke和他的同事在《自然通讯》上发表了他们的研究，题为“Repurposing cancer drugs identifies kenpaullone which ameliorates pathologic pain in preclinical models via normalization of inhibitory?neurotransmission。”
作者写道，在成熟的脊椎动物中枢神经系统(CNS)中，γ-氨基丁酸(GABA)主要作为一种抑制性神经递质，这种信号分子对正常的中枢神经系统功能至关重要。它也代表了一个潜在的起点，以确定潜在的安全的新方法来治疗疼痛。“在慢性疼痛中，gaba能传递被破坏，导致电路故障和破坏抑制性神经网络，”该团队继续说道。“恢复生理gaba能传输的治疗方法将使我们能够用更安全、更有效的阿片类药物替代品，解决慢性疼痛的未满足的医疗需求。”
抑制性gaba能神经传递需要神经元中较低的氯离子浓度，而这是由KCC2维持的，KCC2是一种神经保护离子转运体，能有效地将氯离子从神经元中排出。当疼痛通路中的抑制性神经传递强大时，疼痛信号就会被抑制。但在慢性病理性疼痛中，KCC2在特定神经元中的表达减弱，在实验动物和人类脊髓模型中研究的所有形式的慢性疼痛中，KCC2从构成脊髓背侧主要疼痛门的神经元中消失。
“在慢性病理性疼痛中，脊髓背角(SCDH)神经元的初级感觉门中的KCC2表达减弱，”作者写道。“这一关键的病理生理机制有助于兴奋/抑制的失衡，因为它破坏了抑制性神经传递，导致抑制回路失灵……我们推断，如果我们可以提高Kcc2/ Kcc2基因表达……我们可以重新正常化抑制传递，以缓解慢性疼痛。”
为了尝试识别潜在的增强Kcc2基因表达的候选物质，该团队在培养的小鼠初级皮层神经元中筛选了包含在两个国家癌症研究所图书馆中的1057种化合物。研究人员对癌症药物尤其感兴趣，因为其中许多药物会影响基因的表观遗传调节。除了阻止快速分裂的癌细胞增殖，这种表观遗传效应还可以重置非分裂神经细胞中不适应的基因开关。“因此，我们对细胞生长调节化合物进行了公正的筛选，”研究人员评论道。“我们在这些化合物中寻找，因为我们假设，相当多的化合物通过干扰表观遗传和转录机制来抑制细胞分裂。由于成熟神经元不分裂，这些化合物是通过表观遗传机制上调Kcc2/ Kcc2基因表达的有吸引力的候选化合物，从而降低神经元内氯水平，重新建立正常的gaba能抑制功能……”
为了从这个起始池中确定潜在的抗疼痛药物候选，Liedtke的团队筛选了来自基因工程小鼠的神经元中的化合物。这些细胞有一个敲入修饰，使它们成为一个方便的报告基因系统。具体来说，增强Kcc2基因表达的化合物会触发这些细胞产生可测量的生物发光信号。
他们的筛选突出了137种增强Kcc2表达的化合物。然后，反复的再测试指出了四个非常有希望的候选者，其中kenpaullone被选中进行进一步的研究，因为它在多个实验模型中有很强的保护神经元的记录。
对小鼠的进一步研究表明，kenpaullone能有效地抑制由神经收缩损伤引起的疼痛和由肿瘤细胞在股骨中播散引起的疼痛。这种止痛效果深刻、持久，而且起病时间较长，这与药物对基因调节的影响是一致的。“在神经损伤疼痛模型中，Kp恢复了Kcc2表达，gaba诱发脊髓背角的氯离子逆转电位，”作者评论道。Liedtke进一步说，“在这个阶段，我们知道我们已经满足了我们筛选搁置癌症药物的基本要求，即识别出Kcc2基因表达增强子，并证明它们在有效的临床前疼痛模型中是镇痛药。”
研究人员随后评估了kenpaullone是否会影响脊髓对疼痛的处理，以及使用这种药物的治疗是否能减少神经损伤导致的疼痛传递神经元氯离子水平的升高。这两组实验都产生了令人鼓舞的积极结果，这使得研究小组着眼于弄清kenpaullone究竟是如何增强Kcc2基因表达的。他们发现了潜在的信号机制，其中的一个关键元素之前没有描述过，通过这种机制，kenpaullone抑制gsk3 - β，一种酶，添加磷酸盐标签的蛋白质;磷酸盐标签具有强大的功能转换效应。他们发现gsk3 - beta向delta-catenin (δ-cat)添加了磷酸盐标记，当以这种方式标记时，它注定会被细胞破坏。在慢性疼痛的情况下，GSK3-beta的激活导致疼痛传递神经元中δ-cat的丢失。
Liedtke的团队证明了δ-cat与Kcc2表达和疼痛信号传递有关的原始功能。也就是说，他们证明了非磷酸化的delta-CAT被运输到细胞核中，在细胞核的启动子区域直接与Kcc2基因结合，启动子区域开启了关闭的Kcc2基因的表达。
为了探究这一途径与疼痛的相关性，Liedtke和同事们设计了一种基因治疗方法，他们装载了AAV9病毒载体，带有抗磷酸化的δ-cat。为了用AAV9感染脊髓背角神经元，以驱动抗磷酸化的delta-CAT，他们将其注射到小鼠的脑脊液中。值得注意的是，他们发现这种实验性基因疗法具有类似于kenpaullone的止痛效果。“…我们观察到δ-cat(S276A)的脊髓转基因足以逆转神经性疼痛，并修复SCDH中减弱的Kcc2 mRNA表达，”他们说。" -连环蛋白的短暂脊髓过度表达模拟Kp镇痛"
研究结果表明，kenpaullone和类似作用的激酶抑制化合物，以及δ-cat基因疗法，有潜力成为治疗慢性顽固性疼痛(包括神经损伤疼痛和癌性骨痛)的新工具。并可能对抗其他形式的慢性疼痛(三叉神经痛)与低Kcc2表达有关。这种方法也可能对其他神经和精神疾病有效，在这些疾病中，这种机制似乎是导致疾病的原因。
该报告的共同第一作者Michele Yeo博士与Liedtke一起工作了十多年，以阐明Kcc2基因的基本调控。共同第一作者陈勇博士现在在杜克大学拥有自己的研究实验室。该研究的共同作者、杜克大学转化性疼痛研究主任吉汝荣博士和他的团队对脊髓疼痛传递神经元进行了研究。Liedtke的实验室与加州大学欧文分校的Jorge Busciglio博士的实验室的合作是验证kenpaullone在人类中的适用性的关键。